铁路隧道小煤窑采空区勘察与处理

黄 创

(中铁工程设计咨询集团有限公司太原设计院，山西太原 030013)

1 概述

小煤窑采空区是铁路施工和运营安全的隐患，线路选线时一般应尽量绕避。如必须通过时，应查明其地质特征，进行稳定性评价并提出工程措施意见[1-2]。小煤窑采空区具有私自开挖、埋深较浅、随意性强、无规划等特点，国内的孝柳线、准朔线、包西线、巴准线均遇到了不同程度的小煤窑采空区问题[3]。多年来，勘察设计单位对小煤窑采空区进行了大量的勘察工作，积累了宝贵的经验。李景山在包西线勘测中采用地质调绘、物探、钻探等手段，查明了米家园子小煤窑采空区的分布[4]；孙金等在登封至商丘高速公路勘察中，采用资料收集、地质调绘、地震反射波法及钻探查明了郑新天富煤业的采空区[5]；庞雪春根据工程、技术、经济及环境等因素，对马鞍山采空区绕避方案进行研究[6]；霍世强等在平朔东露天矿专用线中采用充填注浆法对采空区进行治理[7]。以往研究没有形成统一的标准和完整的流程，其处理方案也大多为平面绕避和注浆充填。内蒙古鄂尔多斯市某铁路隧道位于中兴煤矿北部，区域内分布有已关停的小煤窑，通过现场调查走访、地质调绘、矿区煤层资料收集、物探及钻探验证等综合勘察手段，查明了采空区的分布。设计时采取了降低线位高程、立体绕避的方案。施工中采用加强超前支护、加强衬砌等措施，使隧道顺利从采空区下方安全通过。

2 工程概况

2.1 地层岩性

某单洞双线铁路隧道位于鄂尔多斯市东胜区东南约30 km处，长1 682 m。地貌类型为低中山区，地面受流水侵蚀切割剧烈，沟谷纵横，植被稀疏，沟谷及山麓基岩大面积出露。隧址区表层为薄层第四系上更新统砂质黄土，下伏侏罗系下统砂岩、泥岩及煤。岩层产状近乎水平，倾角一般小于5°，倾向北北东。地下水为基岩裂隙水，主要靠大气降水补给，水量贫乏。

2.2 采空区分布

隧道位于中兴煤矿矿区北部，区域内分布有已关停的小煤窑。小煤窑无正规手续，管理混乱，无开采资料。根据现场调查，隧道里程DIK32+430～DIK32+560段地表塌陷，变形区域长约130 m，裂缝断续相连，分布很不规则，裂缝长20～60 m，宽2～160 cm不等，最大错台高差30 cm，局部地段已塌陷，隧道上方地表变形区域见图1。

图1 隧道上方地表变形区域

2.3 煤层情况

通过走访调查，小煤窑于20世纪90年代后期开始开采，采煤方法为房柱式，采空区顶板自然垮落，通风方式为自然通风，井下运输方式为三轮车从工作面运至地面储煤厂。至2005年被关闭前，小煤窑合计开采17万吨，回采率为40%。

中兴矿区共有3层煤分布，煤层号分别为3号、4号、5号。小煤窑于2005年之前采用巷道开采第一层煤(3号煤层)。根据中兴煤矿储量报告中的3号煤层底板等高线(见图2)，线路附近的3号煤层底板高程为1 345～1 355 m，煤层平均厚度为1.89 m[8]。地表变形区域内隧道洞身高程为1 340～1 350 m，推测采空区的分布范围见图3。

图2 3号煤层底板等高线(单位：m)

图3 推测采空区的分布范围

3 采空区勘察

3.1 物探、钻探布置

(1)物探

在分析已有资料的基础上，为查明采空区的范围，决定采用高密度电法进行勘探。高密度电阻率法结合了电测深法和电测剖面法的优势，具有分辨率高、干扰小等特点[9]。根据现场的地质条件和地形情况，沿中线两侧平行布设两条纵断面，测线跨越采空范围，测线长度均为320 m；另外布设2条横断面，测线长度分别为280 m和230 m。本次工作采用具有较高分辨力的斯伦贝格装置(5 m极距)，向地下传入电流，通过测定电阻异常区来确定采空区的空间位置和规模。

(2)钻探

物探资料的解释具有多义性，其成果还需要钻孔资料进行验证。根据地形，沿线路两侧布置8个钻孔，钻孔间距20～50 m不等，其中地表变形区域和物探异常区内钻孔布设较密集，变形区域外钻孔间距较大。钻孔位于线路两侧9～30 m不等，深度均按进入最底层的5号煤层控制(根据中兴煤矿储量报告中《5号煤层底板等高线图》，隧道位置5号煤的层底高程为1 310 m)。

采空区勘察物探、钻探布置见图4。

图4 物探、钻探布置

3.2 物探成果

岩土的电阻率除与成分有关以外，还与地质构造、地层结构、地下水等有关。场地为砂泥岩地层，孔隙小，产状平缓，基岩裂隙水不发育，无断层分布。正常地层电阻应较为稳定或呈水平状条带分布，如存在采空区，应显示为高阻异常；当采空区内积水时，地层孔隙饱和，应显示为低阻异常[10]。本次选取效果较好的北侧测线进行分析，该测线的视电阻率分布见图5。表层电阻率为20～60 Ω·m，推断为覆盖层；电阻率60～100 Ω·m区域推断为基岩风化层；电阻率大于100 Ω·m区域推断为完整基岩。DIK32+440～DIK32+570段电阻率高于180 Ω·m，且呈水平状分布，推测为煤矿采空区且内部无积水。高阻区中部DIK32+480～DIK32+510电阻率相对较低，推测为小煤窑内部的保安煤柱。综上所述，判断采空区里程为DIK32+440～DIK32+570，高程为1 340～1 360 m。物探解译成果见图6。

图5 视电阻率分布

图6 物探解译成果示意

3.3 钻探验证成果

(1)DIK32+430～DIK32+560范围外，地面至5号煤层底板之间钻进平稳，无明显漏浆及进尺过快等异常情况，岩层和煤层完整，均未见空洞。

(2)DIK32+430～DIK32+560范围内，4个钻孔有3个发现空洞，钻进过程中，泥浆迅速流失。钻孔Z-5中见编织袋碎片，推测为采空。空洞高程分布在1351～1355 m，高1.4～2.25 m；推测未发现空洞的钻孔位于保安煤柱上。采空区下方4号、5号煤层完整。

钻探成果统计见表1，采空区钻探岩芯见图7。

表1 钻探成果统计

图7 Z-3孔10～15 m岩芯

3.4 小结

结合调绘资料、物探资料和物探资料综合分析，结果如下：

(1)经过专项勘察后，认为采空范围为DIK32+430～DIK32+560。

(2)通过物探及钻探验证，该矿区仅有3号煤层进行过开采，与调查结果一致。

(3)通过物探及钻探，采空高程为1 351～1 355 m，采空高度为1.4～2.25 m，与煤矿储量报告基本相符。

4 采空区处理

4.1 立体绕避

隧道地层为砂岩泥岩互层，产状平缓，层间结合较差，且泥岩具有弱膨胀性，遇水易崩解软化，施工时易产生塌方与变形。采空区底板位于隧道拱顶上方2～4 m，隧道从采空区下方通过将破坏岩体中初始应力脆弱的平衡状态，施工时极可能产生大规模的塌方甚至坍塌至地表，危及拟建隧道的安全。对采空区进行加固处理也难以保证隧道围岩的稳定，无法消除采空区的危害。为减小采空区对隧道的影响，降低隧道的施工风险，在线路平面无法绕避的情况下，决定优化线路的纵断面设计，加大隧道顶板与采空区底部的安全距离。

考虑到隧道所在地层以及工程的经济性，确定了12 m的安全距离。最终采取调整线路坡度、降低线路设计高程的方法，将采空区底板与隧道拱顶的距离由2～4 m增加到14～16 m(隧道的埋深由15～23 m增加到27～35 m)。一方面增大了隧道的“埋深”，使其容易形成自然拱；另一方面在隧道的拱顶与采空区之间形成了缓冲地带，减小了采空区坍塌对隧道的冲击(见图8)。

图8 线路纵向绕避采空区示意

4.2 工程措施

采空区DIK32+430～DIK32+560段采用Ⅴ级围岩复合式加强衬砌。拱顶采用φ42的导管进行注浆，导管长度为4 m，环向间距为0.5 m，以10°～15°的外插角打入地层，纵向搭接长度不小于1 m。初期支护采用Ⅰ18型钢拱架闭合支撑，间距为0.6 m/榀，喷射混凝土30 cm。二次衬砌采用45 cm厚的钢筋砼结构[12-14]。

由于隧道穿越煤层，应对洞内实施24 h不间断供风，并加强瓦斯及有害气体的监控监测。另一方面，应严格控制围岩变形，并加强洞内监控量测，做好地表沉降监测和超前地质预报[15]。

5 结束语

小煤窑开采无规划，历史较久，痕迹模糊，需要广泛收集区域地质资料和矿区资料进行深入研究，通过地质调绘分析采空区的分布，利用物探指导钻孔布置，提高钻探的有效性，节约勘察成本和时间；通过钻探来修改和完善物探资料的解释，通过物探和钻探的相互配合查明采空区的地质情况。

对于小煤窑采空区，当加固处理难以消除危害时，铁路隧道应采取绕避原则，当平面难以绕避时，可考虑调整纵断面坡度实现立体绕避。

采空区下方的隧道施工应缩短初期支护钢拱架的间距，根据实际变形情况调整预留变形量，以减小采空区对隧道的变形影响。必要时可对拱顶采取超前小导管注浆，以降低采空区岩体裂缝发育、岩体松动带来的塌方风险，并加强洞内和地表监测，以指导和优化施工。